Que sont les cristaux et comment se forment-ils?
Les cristaux sont des solides dont les composants de base (atomes, ions ou molécules) sont disposés à un niveau microscopique très élevé, formant un réseau qui s'étend dans toutes les directions. De plus, les monocristaux se distinguent dans la nature par leur forme géométrique qui se compose souvent de faces planes et d'angles et de positions distincts. La science qui étudie la cristallographie est appelée cristallographe, et le processus dans lequel les cristaux se forment est appelé cristallisation.
La plupart des minéraux se trouvent dans la nature sous forme de cristaux. Tous les cristaux ont une disposition interne distincte qu'ils maintiennent grâce à une méthode distincte d'introduction d'atomes fins dans le cristal qui est répétée encore et encore. La forme cristalline résultante est soit un cube (comme dans le sel), soit une forme à six côtés (comme la glace) qui imite la disposition interne du cristal.
Cependant, il est rare de trouver un cristal parfaitement formé dans la nature car les cristaux ont besoin de conditions idéales pour se développer et lorsque les cristaux se forment les uns à côté des autres, ils se chevauchent, formant une masse aux contours flous.
La disposition interne des cristaux détermine toutes les propriétés internes et externes du cristal, y compris la couleur. La lumière interagit différemment pour différents atomes créant des couleurs différentes. La plupart des cristaux sont incolores à l'état pur mais les impuretés dans l'arrangement atomique leur donnent leur couleur. Par exemple, le quartz est incolore à l'état pur, mais il est présent dans un spectre complet de couleurs allant du rose au marron au violet foncé selon le type et la quantité d'impuretés dans sa structure.
Les scientifiques décrivent généralement les cristaux comme «en croissance» même s'ils ne sont pas des êtres vivants. Comme les cristaux se forment à partir de la réunion de trillions d'atomes. Tous les cristaux commencent petit et grandissent avec l'ajout de nouveaux atomes. De nombreux cristaux se forment à partir d'eau riche en minéraux dissous, et certains se forment à partir de roche fondue et même de vapeur. L'idéalisme et la diversité des formes géométriques des cristaux ont attiré des chercheurs pour les étudier.
Structure en cristal
La définition scientifique d'un «cristal» est basée sur la disposition microscopique des atomes à l'intérieur, qui est appelée la structure cristalline. Un cristal est un solide dans lequel les atomes sont disposés dans un ordre périodique.
Tous les solides ne sont pas des cristaux. Par exemple, lorsque l'eau liquide commence à geler, le processus commence par la formation de petits cristaux de glace qui se développent jusqu'à ce qu'ils fusionnent pour former une structure polycristalline. Dans le dernier morceau de glace, les petits cristaux sont de vrais cristaux dont les atomes sont disposés périodiquement, mais il n'y a pas d'arrangement périodique des atomes dans le morceau de glace dans son ensemble, car le motif périodique des atomes se décompose à partir des limites de fusion des petits cristaux.
La plupart des solides inorganiques ont une structure cristalline ou cristalline multiple, y compris presque tous les minéraux, céramiques, glace, roches, etc. Les solides à structures cristallines amorphes ou multiples, comme le verre, sont appelés solides amorphes et sont également appelés matériaux vitreux.
Ces matériaux ne possèdent pas de disposition périodique, même au niveau microscopique. Il existe des différences distinctes entre les solides cristallins et les solides amorphes. Un exemple de cette différence est que le processus de formation du verre ne libère pas la chaleur de fusion, contrairement au processus de formation de cristaux.
Chaque structure cristalline (la disposition des atomes dans un cristal) a sa propre cellule unitaire, qui est une petite boîte imaginaire contenant un ou plusieurs atomes dans un arrangement spatial spécifique. Le cristal est formé par la réunion de cellules unitaires dans un espace tridimensionnel.
La symétrie du cristal est limitée par l'exigence que les cellules unitaires se rencontrent parfaitement sans espaces. Il existe 219 symétries cristallines possibles, appelées amas de cristaux spatiaux. Ils sont regroupés en 7 systèmes cristallins, tels que le système cristallin cubique (où les cristaux peuvent former des cubes ou des carrés rectangulaires, comme l'halite) ou le système cristallin hexagonal (où les cristaux peuvent former des hexagonaux, tels que la glace).
Les visages et les formes des cristaux
Les cristaux se distinguent généralement par leur forme, qui se compose de faces planes avec des angles vifs. Ces propriétés formelles ne sont pas nécessaires pour qu'un objet soit un cristal - comme un cristal est scientifiquement défini par son arrangement atomique au niveau microscopique, pas sa forme externe (macroscopique).
Les cristaux à faces planes sont bien définis (Euhedral). Quant aux cristaux qui n'ont pas un extérieur clair - c'est parce que le corps est constitué d'un grand nombre de cristaux fusionnés en un solide polycristallin - appelé anédrique.
Les faces planes (également appelées côtés) des cristaux euhédriques sont orientées d'une manière spécifique en fonction de la disposition atomique du cristal, de sorte que le cristal est plus stable. L'une des techniques les plus anciennes de la cristallographie consiste à mesurer les orientations tridimensionnelles des faces d'un cristal et à l'utiliser pour déduire l'arrangement atomique d'un cristal.
L'habit du cristal est son extérieur visible. Ceci est déterminé par la structure cristalline (qui restreint les orientations possibles de la face), les liaisons chimiques à l'intérieur du cristal (certains types de faces sont plus stables que d'autres) et les conditions dans lesquelles le cristal s'est formé.
La plus grande concentration de cristaux de la Terre en taille et en poids se trouve dans le substrat rocheux de la Terre. La taille des cristaux trouvés dans les roches varie généralement d'une fraction de millimètre à plusieurs centimètres, bien que des cristaux exceptionnellement grands soient parfois présents.
Le plus grand cristal naturel du monde est un cristal de béryl trouvé à Malakialina, Madagascar Univers 1999. Il mesure 18 mètres (59 pieds) de diamètre, 3,5 mètres (11 pieds) de diamètre et pèse 380 000 kg (840 000 livres).
La glace
La glace d'eau sous forme de neige ou de glace polaire est une manifestation très courante des matériaux cristallins sur Terre. Les flocons de neige uniques sont généralement un seul cristal, tandis que les glaçons sont des objets avec plusieurs structures cristallines.
Cristaux organiques
De nombreux organismes sont capables de produire des cristaux, comme la calcite de la plupart des mollusques ou l'hydroxylapatite dans le cas des vertébrés.
Cristallisation
La cristallisation est le processus de formation d'une structure cristalline à partir d'un liquide ou de substances dissoutes dans un liquide. La cristallisation est un domaine complexe et largement étudié car, selon les conditions, un seul liquide peut cristalliser sous de nombreuses formes différentes. Il peut former un monocristal, avec différentes possibilités avec différentes impuretés, défauts et habitats.
Ou, un objet avec plusieurs structures cristallines pourrait se former, avec des possibilités qui varient en fonction de la taille, de la disposition et de l'orientation. La forme finale d'un cristal est déterminée par les conditions dans lesquelles le liquide cristallise, telles que la chimie du liquide, la pression ambiante, la température et la vitesse à laquelle tous ces facteurs changent.
Défauts et imperfections
Chaque atome d'un cristal idéal est disposé dans un arrangement de répétition parfait. Mais, en fait, la plupart des matériaux cristallins contiennent une variété de défauts cristallins, qui sont des endroits où le motif cristallin se décompose. Ces défauts peuvent avoir un effet profond sur les propriétés du matériau.
Certains exemples de défauts cristallins incluent des défauts de vacance (un espace vide qui devait être rempli par un atome), des défauts interstitiels (un atome supplémentaire pressé en place qui ne rentre pas).
Un autre type courant de défaut cristallin est une impureté, ce qui signifie qu'un "mauvais" type d'atome est présent dans un cristal. Par exemple, un cristal de diamant idéal ne contiendrait que des atomes de carbone, mais un vrai cristal pourrait également contenir quelques atomes de bore.
Ces impuretés de bore changent la couleur du diamant en un peu de bleu. De même, la seule différence entre le saphir transparent et le rouge rubis est le type d'impuretés présentes dans le cristal de corindon.
Cristallographie
La cristallographie est une science qui étudie la structure cristalline (en d'autres termes, l'arrangement atomique) d'un cristal. L'une des techniques largement utilisées en cristallographie est la diffraction des rayons X. Un grand nombre de structures cristallines connues ont également été stockées dans des bases de données cristallines.
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